過程控制第一章第1-2講 緒論

過程控制與儀表山東科技大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院高宏巖(ProcessControlandInstrument)第1講第一章緒論

第一節(jié)

過程控制發(fā)展概況一、過程控制概念過程控制（Processcontrol）是指連續(xù)生產(chǎn)過程的自動控制。連續(xù)生產(chǎn)過程的特征是：生產(chǎn)過程中的各種流體，在連續(xù)（或間歇）的流動過程中進行著物理化學(xué)反應(yīng)、物質(zhì)能量的轉(zhuǎn)換或傳遞。

凡是采用數(shù)字或模擬控制方式對連續(xù)生產(chǎn)過程的某一或某些物理參數(shù)進行的自動控制通稱為過程控制。二、過程控制應(yīng)用領(lǐng)域石油、化工、水利、電力、冶金、輕工、紡織、制藥、建材、核能、環(huán)境工程等許多領(lǐng)域的自動控制系統(tǒng)，都屬于過程控制系統(tǒng)。與運動控制系統(tǒng)相比較，過程控制和運動控制研究對象不同，過程控制研究石油、化工、電力等工業(yè)過程中的溫度、壓力、流量、物位、成分等變量的控制；運動控制研究速度和位置控制，如數(shù)控機床、機器人。

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三、過程控制的發(fā)展概況過程控制的發(fā)展歷程，就是過程控制裝置（自動化儀表）與系統(tǒng)的發(fā)展歷程。1、過程控制裝置與系統(tǒng)的發(fā)展過程（1）局部自動化階段（20世紀50～60年代）自動化儀表安裝在現(xiàn)場生產(chǎn)設(shè)備上，只具備簡單的測控功能。適用于小規(guī)模、局部過程控制。特點：自動化儀表劃分成各種標(biāo)準功能單元，按需要可以組合成各種控制系統(tǒng)?？刂苾x表集中在控制室，生產(chǎn)現(xiàn)場各處的參數(shù)通過統(tǒng)一的模擬信號，送往控制室。操作人員可以在控制室監(jiān)控生產(chǎn)流程各處的狀況。適用于生產(chǎn)規(guī)模較大的多回路控制系統(tǒng)。（2）模擬單元儀表控制階段（20世紀60～70年代）巴基斯坦賈姆肖羅電廠

計算機的出現(xiàn)，大大簡化了控制功能的實現(xiàn)。最初，人們設(shè)想用一臺計算機取代所有回路的控制儀表，實現(xiàn)直接數(shù)字控制（DDC，DirectDigitalControl）

。但DDC系統(tǒng)的故障危險高度集中，一旦計算機出現(xiàn)故障，就會造成所有控制回路癱瘓，使生產(chǎn)過程風(fēng)險加大。因此，DDC系統(tǒng)并未得到廣泛應(yīng)用。（3）集散控制階段（20世紀70年代中期至今）80年代初，隨著計算機性能提高、體積縮小，出現(xiàn)了內(nèi)裝CPU的數(shù)字控制儀表。基于“集中管理，分散控制”的理念，在數(shù)字控制儀表和計算機與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基礎(chǔ)上，開發(fā)了集中、分散相結(jié)合的集散型控制系統(tǒng)（DCS，DistributedControlSystem）。DCS系統(tǒng)實行分層結(jié)構(gòu)，將控制故障風(fēng)險分散、管理功能集中。目前得到廣泛應(yīng)用。隨著CPU進入檢測儀表和執(zhí)行器，自動化儀表徹底實現(xiàn)了數(shù)字化、智能化?？刂葡到y(tǒng)也出現(xiàn)了由智能儀表構(gòu)成的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS，F(xiàn)ieldbusControlSystem)。FCS系統(tǒng)把控制功能徹底下放到現(xiàn)場，依靠現(xiàn)場智能儀表便可實現(xiàn)生產(chǎn)過程的檢測、控制。而用開放的、標(biāo)準化的通信網(wǎng)絡(luò)——現(xiàn)場總線，將分散在現(xiàn)場的控制系統(tǒng)的通信連接起來，實現(xiàn)信息集中管理。西安儀表廠巴基斯坦古杜電廠

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蘭州石化自來水廠控制柜控制柜觸摸顯示屏控制柜內(nèi)部控制柜內(nèi)PLC過程控制實驗室2、過程控制策略與算法發(fā)展伴隨著自動化儀表的發(fā)展，過程控制策略與算法也經(jīng)歷了由簡單到復(fù)雜的發(fā)展歷程。以經(jīng)典控制理論為基礎(chǔ)的PID（ProportionalIntegralDerivative）控制算法，由單回路控制發(fā)展了串級控制、比值控制、前饋控制、均勻控制、Smith預(yù)估控制及選擇性控制等控制策略。隨著現(xiàn)代控制理論和人工智能技術(shù)的發(fā)展，解耦控制、推斷控制、預(yù)測控制、模糊控制、自適應(yīng)控制等控制策略與算法，也日趨完善?，F(xiàn)代自動控制技術(shù)的主要特點：1、功能綜合化，控制與管理一體化已成為趨勢，其應(yīng)用領(lǐng)域和規(guī)模越來越大。2、技術(shù)密集化、系統(tǒng)集成化，是控制技術(shù)、通訊技術(shù)、計算機技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。3、系統(tǒng)的智能化程度日益提高，控制精度越來越高，控制手段日益豐富。國內(nèi)外著名儀表生產(chǎn)企業(yè)：西安儀表廠、四川儀表公司、上海儀表公司、Foxboro、Siemens、Yokogawa、Rosemount、Honeywell等公司。結(jié)束第二節(jié)過程控制的特點連續(xù)生產(chǎn)過程的自動控制：被控量是定值控制、連續(xù)可調(diào)。過程控制系統(tǒng)由過程檢測、控制儀表組成：一個完整的過程控制系統(tǒng)是由被控過程和過程檢測控制儀表組成。過程檢測控制儀表包括檢測元件、變送器、調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥等。被控過程是多種多樣的、非電量的：現(xiàn)代工業(yè)，生產(chǎn)規(guī)模不同、工業(yè)要求各異，過程動態(tài)特性機理復(fù)雜，被控過程多種多樣；過程的溫度、壓力、流量等物理量是表征工業(yè)生產(chǎn)狀態(tài)的主要參數(shù)。過程控制的特點（續(xù)）控制過程多屬慢過程，而且多半為參量控制：大多數(shù)被控過程具有大慣性、大滯后等特性。過程采用一些物理量或化學(xué)量來表征生產(chǎn)過程是否正常。過程控制方案十分豐富：由于過程工藝復(fù)雜、控制要求高，過程控制方案相應(yīng)豐富。如：單回路控制系統(tǒng)、串級控制系統(tǒng)、前饋-反饋控制系統(tǒng)、滯后補償控制、比值控制系統(tǒng)、分程控制系統(tǒng)、選擇性控制系統(tǒng)、多變量解耦控制、集散控制等。定值控制是過程控制的一種常用形式：過程控制的主要目的在于消除或減小外界干擾對被控量的影響。返回本節(jié)第三節(jié)過程控制系統(tǒng)的組成及其分類

一、過程控制系統(tǒng)組成第2講人工控制汽包W給水給水調(diào)節(jié)閥省煤器水冷壁過熱器水位計蒸汽Dh汽包鍋爐給水人工控制示意圖人工/自動自動控制給水w蒸汽D測量單元控制單元給定單元執(zhí)行單元汽包鍋爐給水自動控制示意圖h人工/自動在討論控制系統(tǒng)工作原理時，為清楚地表示自動控制系統(tǒng)各組成部分的作用及相互關(guān)系，一般用原理框圖來表示控制系統(tǒng)。如圖所示鍋爐水位控制系統(tǒng)是由水位變送器、控制器、調(diào)節(jié)閥和被控對象組成。給定值被控量干擾f

控制器

測量變送器調(diào)節(jié)閥被控對象+e實測值－通用形式：給定值被控量干擾f

控制器

測量變送器執(zhí)行器被控對象+e實測值－二、過程控制中的常用術(shù)語

1．過程（被控對象）被控制的工藝設(shè)備或裝置。2.被調(diào)量（被控參數(shù)）表征生產(chǎn)過程是否正常運行并需要加以控制的物理量。3．給定值按生產(chǎn)要求被調(diào)量必須維持的希望值。4．執(zhí)行器可用來改變進入控制對象的物質(zhì)或能量的裝置。5．操縱變量（控制參數(shù)）由執(zhí)行器(閥門、擋板等)改變的流量(或能量)，用以控制被調(diào)量的變化。6．?dāng)_動

除控制作用外，引起被調(diào)量偏離其給定值的各種因素稱為擾動。工藝過程：由過熱器產(chǎn)生過熱蒸汽帶動汽輪機作功，工藝要求保持過熱蒸汽溫度恒定。通過減溫器的溫水流量的大小來控制過熱蒸汽的溫度工藝過程：控制吹氧量和吹氧時間，控制冶煉鋼水的含氧量，得到不同品種的鋼。轉(zhuǎn)爐供氧控制系統(tǒng)τ

過程控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是：對生產(chǎn)過程中的重要參數(shù)（溫度、壓力、流量、物位、成分、濕度等）進行控制，使其保持恒定或按一定規(guī)律變化。過程控制系統(tǒng)有多種分類方法。按所控制的參數(shù)來分，有溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、流量控制系統(tǒng)等；按控制系統(tǒng)所處理的信號方式來分，有模擬控制系統(tǒng)與數(shù)字控制系統(tǒng)；按照控制器類型來分，有常規(guī)儀表控制系統(tǒng)與計算機控制系統(tǒng)等。但在討論控制原理時，常用的分類方法是按設(shè)定值的形式或系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點分類。三、過程控制系統(tǒng)的分類1.按系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點分類1）反饋控制系統(tǒng)（閉環(huán)控制系統(tǒng)）控制系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)被控量的偏差進行工作，偏差是控制的依據(jù)，最后達到消除或減小偏差的目的。反饋控制系統(tǒng)可以是單回路，也可以是多個閉合回路的多回路控制系統(tǒng)。

反饋控制系統(tǒng)是過程控制最基本的結(jié)構(gòu)形式。2）前饋控制系統(tǒng)（開環(huán)控制系統(tǒng)）以不變性原理為理論基礎(chǔ)，直接根據(jù)擾動量的大小進行工作，擾動是控制依據(jù)，及時克服擾動對被控量的影響。它是一種開環(huán)控制，實際中一般不能單獨使用。3）復(fù)合控制系統(tǒng)將前饋和反饋控制結(jié)構(gòu)結(jié)合起來，充分利用開環(huán)前饋和反饋控制兩者的優(yōu)點，大大提高控制質(zhì)量2、按給定值信號特點來分類定值控制系統(tǒng)：系統(tǒng)被控量的給定值保持在規(guī)定值不變。擾動信號引起被控量變化，在系統(tǒng)控制作用下克服擾動影響，保持系統(tǒng)被控量恒定程序控制系統(tǒng)：被控量的給定值按預(yù)定時間順序變化工作。使系統(tǒng)被控量按工藝要求規(guī)定的程序自動變化。隨動控制系統(tǒng)：被控量的給定值隨時間任意變化，系統(tǒng)克服一切擾動，使被控量快速跟隨給定值而變化。第四節(jié)課程的性質(zhì)與任務(wù)課程性質(zhì)：過程控制工程是工業(yè)自動化專業(yè)的專業(yè)必修課。課程任務(wù)：根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，應(yīng)用控制論、現(xiàn)代控制技術(shù)，分析、設(shè)計、整定過程控制系統(tǒng)理論基礎(chǔ)：電子技術(shù)基礎(chǔ)、控制理論、現(xiàn)代控制技術(shù)技術(shù)工具：自動化儀表、微機控制技術(shù)課程目標(biāo)：具有解決分析和設(shè)計較復(fù)雜的過程控制系統(tǒng)的能力學(xué)習(xí)本課程的要求熟悉工藝參數(shù)的基本測量方法和測量儀表的工作原理，能正確使用自動化儀表。理解過程控制系統(tǒng)的工作原理及各環(huán)節(jié)的作用，能設(shè)計出合理的過程控制方案。掌握基本控制規(guī)律及其控制器參數(shù)對被控過程的影響，能對過程控制系統(tǒng)進行調(diào)試和維護。目錄:第一章緒論第二章過程建模和過程檢測控制儀表第三章簡單過程控制系統(tǒng)第四章復(fù)雜過程控制系統(tǒng)主要參考書施仁，《自動化儀表與過程控制》電子工業(yè)出版社，